Light-Induced Folding Control of Fluorescent and Catalytically Active Single-Chain Nanoparticles

In dieser Arbeit erweitern wir das Forschungsgebiet der Einzelketten-Nanopartikel (ENPs) erheblich und gehen auf zentrale Herausforderungen und neue Anwendungen ein. ENPs sind eine vielseitige Klasse von weichschaligen Nanopartikeln, die durch intramolekulare Vernetzung von Ausgangspolymeren entstehen. Inspiriert durch die Natur, z.B. Enzymen, vereinen ENPs einfache polymerbasierte Ansätze mit komplexen Funktionalitäten, wie katalytisch aktiven Metalle, Fluoreszenz und Biokompatibilität. Wir stellen eine lichtinitiierte Vernetzungsreaktion vor, die eine räumlich-zeitliche Kontrolle des Faltens ermöglicht und somit die Größe der Partikel kontrolliert. ... mehrDarüber hinaus haben wir wasserlösliche ENPs entwickelt, die sich durch sichtbares Licht in eine lineare Polymerkette entfalten lassen.
Im Hauptteil dieser Arbeit befasst sich Kapitel 3 mit fluoreszierenden und katalytisch aktiven ENPs, die durch eine lichtinduzierte Vernetzungsreaktion gefaltet werden. Das Ausgangs-Copolymer enthält Phosphinliganden zur Goldkoordination und Katalyse sowie photoreaktive Vernetzungseinheiten. Mildes sichtbares Licht initiiert das Falten und führt zu einer kompakteren Struktur. Die katalytische Aktivität der eingebetteten Gold(I)-Komplexe wurde mit einer intramolekularen Hydroaminierung als Referenzreaktion demonstriert. Die Bildung von fluoreszierenden Knotenpunkten visualisiert die erfolgreiche Faltung.
In Kapitel 4 untersuchen wir den umgekehrten Entfaltungsprozess wasserlöslicher SCNPs. Mit Bimaneinheiten vernetzte SCNPs, die durch eine intramolekularen Veresterungsreaktion mit einem wasserlöslichen Copolymer entstehen, können sich in wässriger Lösung unter sichtbaren Licht zu ihrem ursprünglichen Ausgangspolymer entfalten. Der Einbau fluoreszierender Vernetzungseinheiten erweitert das Potenzial der ENPs hin zur biomedizinischen Anwendungen und eröffnet neue Möglichkeiten für verbesserte Nachverfolgung und Bildgebung.
Kapitel 5 stellt eine Methode zur Visualisierung des Faltens von ENPs mit Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) vor, einer distanzabhängigen Wechselwirkung zwischen einem Donor- und einem Akzeptor-Fluorophor. Wir haben Bimane als Donor-Fluorophor und Vernetzungseinheit sowie NBD als Akzeptor-Fluorophor in ein Polymer-Rückgrat eingebaut. Dieser Ansatz ermöglicht eine direkte optische Auslesung des Faltungszustandes der ENPs, wie durch ein starkes FRET-Signal belegt. Diese Strategie erweitert das Spektrum der Charakterisierungsmethoden für ENPs und vermeidet den Einsatz komplexer analytischer Geräte.

In the herein presented thesis, the field of single-chain nanoparticles (SCNPs) was critically enhanced, addressing key challenges and focusing on advanced application fields. SCNPs are a versatile class of soft-shell nanoparticles formed by intramolecular cross-links of precursor polymers. Originally inspired by natural analogues, i.e. enzymes, SCNPs fuse simple polymeric approaches with complex functionalities, i.e. catalytically active metals, fluorescence and biocompatibility. The intramolecular crosslinks fold the polymer chains into compact structures, which is the most critical step within the synthetic procedure controlling the size and conformation of the particles. ... mehrThe work presented in the current thesis uses light induced folding and unfolding reactions allowing for the temporal change of the conformation of SCNPs. Additional fluorescent crosslinks enable an enhanced characterization of the SCNPs' folded state through a simple fluorescent read-out method.
The first results, Chapter 4, focuses on fluorescent and catalytically active SCNPs folded via a photoinduced cross-linking reaction. The precursor copolymer contains phosphine ligands for gold coordination and catalysis along with photoreactive cross-linking moieties. Mild visible light (λmax = 415 nm) initiates folding, resulting in more compact structure. The catalytic activity of the incorporated gold(I) complexes was demonstrated utilizing an intramolecular hydroamination as a benchmark reaction. The formation of fluorescent cross-links allows for a visual read-out of the successful folding.
In Chapter 5 we investigate light responsive and water-soluble SCNPs. Bimane cross-linked SCNPs via an esterification reaction with a water-soluble backbone allow for unfolding in aqueous solution under mild visible light, returning to the original precursor polymer. By integrating fluorescent cross-linking units, we extend the potential SCNPs towards biomedical application, paving the way for enhanced tracing and imaging applications.
Chapter 6 introduces a method to visualize SCNP folding employing Förster Resonance Energy Transfer (FRET), a distance dependent interaction between a donor and acceptor fluorophore. We incorporate bimane as the donor fluorophore and cross-linking unit, and NBD as the acceptor fluorophore, into a polymer backbone. This approach allows for direct optical read-out of the SCNP folding state, evidenced by a strong FRET signal. The FRET-based strategy extends the range of characterisation methods for SCNPs avoiding complex analytical equipment.